Ferromagnétisme et Antiferromagnétisme

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Bonsoir aux têtes d’agrumes,

M’intéressant de près à la chimie des métaux et à leurs spins, j’essaye de comprendre les caractéristiques qui émergent des électrons. Dans toutes ces caractéristiques il y en a deux que j’ai du mal à visualiser (schématiser).

Je vais d’abord expliquer comment le voit le Diamagnétisme et le Paramagnétisme, puis l’aimantation. Comme ça vous verrez déjà si j’ai louper des choses en amont. Si ça vous gave, les questions que je me pose sont en balise question.

Diamagnétisme

Cette propropriétés se retrouve directement sur le diagramme d’orbitale moléculaires d’une molécule, si tout est appariés (c’est le cas de $H_2O$) on a un composé diamagnétique. Ce qui explique très bien le comportement de l’eau face à une paille chargé par des charges electrostatiques : le filé d’eau se courbe.

Le filet d’eau esquive la paille chargée.

Paramagnétisme

Celle là c’est un peu le cas contraire : quand, dans le diagramme d’orbital moléculaire, il n’y a pas que des pairs d’électrons. Ce qui pourrait respecter la règle de Hund par exemple. Si l’on a 3 électrons à placer dans une couche $3p$

$$ \underbrace{\begin{array}{|c|c|c|} \hline \uparrow & \uparrow & \uparrow \\ \hline \end{array}}_{3p^3} $$

Le dioxygène est un bon cas de composé paramagnétique, ses électrons libres peuvent changer de spin puisqu’ils sont seules dans leurs cases respectivent, un electron dans la $\pi_x^*$ et un autre dans la $\pi_y^*$. (rappel de la répartition des électrons dans le cas de $O_2\;:\;(\sigma_1)^2(\sigma_1^*)^2(\pi_x \cdot \pi_y)^4(\sigma_z)^2(\pi_x^* \cdot \pi_y^*)^2(\sigma_z^*)^0$)

Ce qui explique le fait que l’oxygène liquide - qui est bleu - soit aimant able avec d’un champ magnétique, jusqu’à cloisonner les gouttes de dioxygènes à la surface d’un aimant :

Dioxygène liquéfié (basse température) bleu

Aimantation de manière générale

On vient de voir les deux phénomènes courant : ça s’attire ou ça se repousse. Pour les métaux c’est soit l’un soit l’autre. On peut donc essayer de comprendre leurs caractéristiques en observant si oui ou non le lac électronique est fait d’électrons célibataire.

Dans un métal il y a des électrons qui se comporte fugacement comme de petits être volage. Il n’ont pas d’attache il se balade à travers tout le métal. On appel cette non-appartenance un lac électronique. Ce sont ces électrons qui vont pouvoir passer d’un spin $m_s = \frac12$ à un spin $m_s = -\frac12$. Cet opportunisme latent c’est ce qui fait que beaucoup de métaux soit aimantable.

Comment est il possible qu’un métal ne soit pas aimantable mais conduise l’électricité ? Il doit avoir un lac Electronique ? Auquel cas se dernier pourrait très bien s’orienter selon le champs magnétique ?

Le Ferromagnétisme

C’est un cas extrême où tout les électrons du lac, soumis à un champ $\vec{H}$ sont orientés selon ce dernier. Le métal se comporte comme une source secondaire d’aimantation.

Echange de type : $\underbrace{\begin{array}{|c|}\hline\uparrow \\\hline\end{array}}_{A} \rightsquigarrow \underbrace{\begin{array}{|c|}\hline\uparrow\\\hline\end{array}}_{B} $

L’Antiferromagnétisme

C’est le cas extrême où tout les électrons suivent la direction du champs magnétique, mais la moitié suivent le sens inverse du champ $\vec{H}$, ce qui ne conduit pas à une aimantation.

Echange de type : $\underbrace{\begin{array}{|c|}\hline\uparrow \\\hline\end{array}}_{A} \rightsquigarrow \underbrace{\begin{array}{|c|}\hline\downarrow\\\hline\end{array}}_{B} $

Ferrimagnétisme

C’est le cas où une proportion majoritaire des électrons va dans le sens du $\vec{H}$ et ainsi conduisent à une aimantation (plus faible qu’en ferromagnétique).


  • L’échange ferromagnétique conduit-il à une répulsions entre $A$ et $B$ car les 2 électrons sont de mêmes orientations ? Deux pôles $Nord$ d’aimants se repoussent pour cette raison.

  • L’échange antiferromagnétique conduit-il à une attraction entre les composé $A$ et $B$, car cela ressemble au cas d’intéraction $Nord$ et $Sud$ de deux aimants distinct, qui s’attire car les électrons sont d’orientations différents.

  • Ou alors n’est rien de tout cela et j’ai admirablement tout mélangé ? Help

Merci du temps de lecture accordé à ce message.

Нова Проспект (/,>\text{(}/ , \text{>}

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Hey ! Je ne maitrise pas vraiment ce domaine mais juste une petite remarque :D : La déviation de l’eau n’est-elle pas dû à la polarité de l’eau ? Si oui, diamagnetisme et polarité sont-elle lié donc ?

Que la force soit avec toi mon ami ! :)

Édité par galaxy_doctor

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Auteur du sujet

La polarité de l’eau (moment dipolaire $\mu$) va expliquer le sens de l’orientation des molécules dans le filet d’eau. Car c’est dépendant du champ electrique $E$ que l’on applique.  :

$$ \vec{\mu} = \alpha \vec{E} $$

La paille émet un champ électrique et chaque ligne d’équipotentiel vont donner une orientaion spécifique aux molécules d’eau qui vont être orienté selon leur $\vec{\mu}$. Le diamagnétisme est une propriétés intrinsèque très différente car elle relève d’un digramme de physique où l’électronégativité ne joue pas sur la répartition formelle des électrons dans les orbitales.

En gros, dans un digramme d’orbitale moléculaire on peut avoir à comprendre l’électronégativité pour savoir où sont les électrons majoritairement (cela conduit à une orbitale plus volumineuse que l’autre). Mais cela ne changera rien à sa manière d’être rempli progressivement (Principe de Pauli et Règle de Hund). Et c’est de la méthode de remplissage d’une digramme d’orbitale moléculaire qu’on obtiens la fonction diamagnétique ou paramagnétique.

PS : Si la molécule diamagnétique n’était pas polaire, les molécules s’orienterais selon la forces de Van Der Waals suivante : Intéraction de Debye.

Нова Проспект (/,>\text{(}/ , \text{>}

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Vite fait (réponse plus complète à venir) :

Non c’est pas du diamagnétisme. Le diamagnétisme est une réponse à un champ magnétique. La c’est une réponse à un champ électrique, qui sont deux objets bien différent (bien que liée entre eux). Et pour la culture il s’avère que c’est plus du aux ions présent dans l’eau qu’à la polarité de la molécule d’eau :p .

Quelque soit le phénomène considéré : para, dia, ferro- anti- ferro- feri- magnétisme. C’est toujours une réponse individuelle ou collective du milieux à un champ magnétique. Et le champ magnétique interagit avec le spin ou les moment magnétiques.

Les champs électriques interagissent avec les charges.

Ne pas confondre moment magnétique et moment dipolaire (électrique).

On peut rassembler d’un coté ce qui est lié au champ B:

  • moment magnétique (lié au spin dans certain cas)
  • aimantation

Et de l’autre ce qui est lié au champ E :

  • moment dipolaire
  • polarisation.
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Auteur du sujet

Ah bah voilà je savais que j’y connaissais rien . Content que tu puisse m’aider j’ai failli désespérer :'( !

Нова Проспект (/,>\text{(}/ , \text{>}

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Voila deux trois mots ( :-° ) :

Tes questions concernent les interactions magnétiques, et donc ce qu’on appelle les dipôles magnétiques. Ce qui veux dire que si je dis juste dipôle il faut comprendre : dipôle magnétique. Si je dis "moment" il faut comprendre moment magnétique (et non moment électrique dipolaire) et si je dis polarisation, il faut comprendre polarisation des dipôles magnétique.

Un dipôle magnétique c’est un mini aimant élémentaire : ça possède une direction (nord sud) et sa à tendance à se placer dans le sens du champs magnétique existant, ça produit également un petit champs magnétique. La manière théorique de décrire un dipôle c’est une spire de courant : https://fr.wikipedia.org/wiki/Moment_magn%C3%A9tique

De manière générale tous objets qui a un comportement macroscopique de dipôle (ou même plus généralement qui produit un champ magnétique) est en faite constitué d’un grand nombre de dipôle élémentaire. Le champ macroscopique observé est juste la somme des champs de tous les petites dipôles élémentaires.

Il y a deux origines aux dipôles magnétiques élémentaires :

  • le moment angulaire orbitale (les electrons qui tournent autour du noyaux forme des spires de courant)
  • le spin

On peut ici dire qu’une particule muni d’un spin non nul est juste une particule qui tourne sur elle même. Et comme elle est chargé, ça fait des charges qui tournent => sa crée un moment magnétique (c’est une vision de la chose mais c’est fondamentalement faux. Il suffit de prendre le neutrino : particules neutre muni d’un spin pour voir le soucis de la "vision"…).

Le moment magnétique total d’un atome est la somme du moment angulaire orbitale des électrons, de leur spin et du spin des nucléons. Mais les nucléons sont négligeable car :

  • comme les électrons il s’assemble par paire de spin opposés et donc seul les nucléons célibataires ont une importance, les autres s’annulant.
  • le couplage des nucléons avec le champs B est 1000 fois moins fort que le couplage des électrons (ça ne veut pas dire que dans le cas général il est invisible : cf RMN).

A partir de la on peut décrire tous les phénomènes magnétique qu’on observe dans les matériaux en décrivant le comportement des électrons (J’ai pas dit que c’était facile hein :p ). Le problème c’est que les solides ne se comportent pas vraiment comme les atomes seul ou des molécules, tous dépend des types de liaisons… Et la ça se gâte sérieusement, en effet même si au final c’est bien uniquement L et S qui vont nous intéresser, en fonction des liaisons (covalente, ionique ou métallique) les remplissages sont un peu différent (et la dessus tu dois être plus au point que moi :p ).

Finalement pour mettre en évidence les différents effets magnétiques on peut juste considérer des cas "parfait", pas besoin de considérer des cas réels.

Les deux premiers cas évidents sont :

  1. Pas de dipôle élémentaire dans le matériau.
  2. Présence de dipôle élémentaire dans le matériau.

1) Ce cas "parfait" n’est en faite pas vraiment possible, au mieux tous les électrons sont apparié (donc le spin total est nul) et le remplissage des couches est idéal ( et donc le moment angulaire orbitale est nul). Mais bizarrement une légère polarisation va quand même apparaitre (il faut étudier l’hamiltonien d’une particule dans un champs B cad $H = \frac{1}{2m} (\vec{p} +q\vec{A})^2$ pour faire apparaitre ce terme). C’est le diamagnétisme, c’est la cas ou le matériau est le moins sensible au champ magnétique.

2) Présence de dipôle : aoutch, ça se gatte. Notons plusieurs choses : - L et S vont vouloir s’orienter sur un champ macroscopique externe ou interne (effet individuelle) - les L et S voisins vont se coupler entre eux (en faite ils s’alignent sur le champ microscopique de leur voisins) (effet collectif) - l’agitation thermique va désorganisation tous ce petit monde (elle incite à restaurer la symétrie isotrope du système : pas d’organisation).

Il faut noter que pour les solides à liaison délocalisé le L disparait pour les électrons de valence, ce qui veux dire que si le L total est non nul, cela est du aux couches internes non remplis. C’est bien sur différent pour les liquides ( composés d’atomes simple ou de molécules) puisque les orbitales moléculaires on une valeur de L. C’est aussi différent pour les solides ionique qui n’ont pas leur liaisons délocalisé (il me semble non ?). Le spin disparait également pour les électrons de valence. Enfin il disparait en apparence car tous les électrons de valence sont en communs, ils s’apparient donc (au pire le nombre est impaire et tu as un électron non appareillé dans TOUS le matériau … négligeable donc :p ) ! Mais mais … (voir plus bas :D). Et également comme pour L il peut y avoir un spin non nul dû aux couches internes non complète.

Le plus compliqué en pratique c’est le terme de couplage, il dépend de la nature de la liaison et en fonction de la liaison ça peut dépendre : de l’organisation des bandes d’énergie et de leur possible levé de dégénérescence (magnétisme délocalisé) ou du recouvrement des fonctions d’ondes des sous couches des atomes (magnétisme localisé).

Bref si le couplage entre spin voisin est nul, L et S vont vouloir s’orienter sur le champ mais c’est contre balancé par l’agitation thermique : c’est le paramagnétisme. Plus le champ est fort, plus la tendance à s’orienter est élevée. Forcement si le champ externe est assez fort tous le système est orienté : c’est l’état de saturation, tous les dipôles sont dans le même sens, on peu pas faire plus ! Plus la température est faible, moins il est nécessaire d’avoir un champ magnétique fort pour saturer (puisque l’agitation thermique désorganise moins tous ce petit monde). Et pour continuer sur mon "Mais… mais…" il y a un deuxième effet : le champ magnétique peut lever la dégénérescence des bandes d’énergies et donc modifier le spin total des électrons délocalisés. Le spin total n’est plus nul, tadam : paramagnétisme. Donc dans le cas des liaisons délocalisé, même si il tous les électrons (des sous-couche et de valence) sont appareillé, un champ magnétique peut faire apparaitre du paramagnétisme … >_< (par contre moins intense que le paramagnétisme dû aux électrons solitaires)

Si le couplage n’est pas nul il peut avoir deux valeurs positif ou négatif : c’est essentiellement dû au type de recouvrement des fonctions d’ondes qui en pratique depend des éléments qui composent le matériau et la géométrie de la maille.

couplage positif : ferro magnétisme. couplage négatif : anti ferro magnétisme.

ferro : Concrètement ça veux dire que les spins voisins ont tendance à s’aligner les uns avec les autres. Dans le cas général ils ne vont cependant pas tous s’aligner : l’alignement d’une groupe d’atome (que j’appelle bloc1) va créer un champ induit. Ce qui veux dire que les atomes limitrophes du bloc1 veulent:

  1. se coupler avec le bloc1 (se mettre dans le même sens )
  2. s’aligner sur le champ induit par le bloc1, hélas le champ induit est opposé au spin (cf wiki, le champ d’un dipôle se "retourne" pour le dire rapidement et de manière peu clair :-° )

Ce sont donc deux effets contraire : -> le bloc1 va grossir grossir grossir jusqu’à ce que l’effet 2) du champs induit deviennent plus fort que l’effet de couplage et alors un bloc2 de polarisation opposé va apparaitre à coté et le phénomène se poursuit, on va voir apparaitre plein de bloc de polarisation opposé (cf wiki ferromagnétique again). Quand on applique un champ extérieur on va favoriser les zones qui sont polarisées dans le sens contraire au champ, et elles vont un peu grandir (au dépend des zones voisines bien sur) et plus le champ appliqué est grand plus elles vont grandir. Et quand tous ton bloc de matière est polarisé dans le même sens tu es à saturation.

Si quand on retire le champs extérieur il reste un champ rémanent fort, c’est parce que quand le champ disparait un équilibre métastable différent de l’équilibre initial est trouvé.

anti ferro : Cette fois les spins voisins s’opposent. Donc si tu appliques un champ tu peux retourner certains atomes et faire apparaitre une réponse magnétique, mais quand le champ extérieur disparait, hop tous le monde reprendre sa place original, il n ’y a pas d’état métastable à atteindre.

J’espère que c’est compréhensible … ^^

Édité par Vael

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Auteur du sujet

L et S

Nombre quantique de Spin et Azimutal ?

l’agitation thermique va désorganisation tous ce petit monde (elle incite à restaurer la symétrie isotrope du système : pas d’organisation).

le champ magnétique peut lever la dégénérescence des bandes d’énergies et donc modifier le spin total des électrons délocalisés.

C’est clairement en rapport avec la température de curie ou le champ coercitif ça ?

Ce sont donc deux effets contraire : -> le bloc1 va grossir grossir grossir jusqu’à ce que l’effet 2) du champs induit deviennent plus fort que l’effet de couplage et alors un bloc2 de polarisation opposé va apparaitre à coté et le phénomène se poursuit, on va voir apparaitre plein de bloc de polarisation opposé (cf wiki ferromagnétique again).

C’est pour ça qu’un aimant est consitué de deux pôles ? On a un pôle qui grossit jusqu’à se situer à la moitié de l’aimant (équidistant des bords) puis c’est l’effet deux qui créer l’inversion sur l’autre partie du pôle ?

Un échange ferromagnétique c’est ton cas 1 et l’échange antiferromagnétique c’est ton cas 2 ?

J’espère que c’est compréhensible … ^^

Extrêmement précis, tu as très bien su lié la chimie quantique aux phénomènes que j’aimerais comprendre, cependant j’aurais deux remarque :

  • Pour la pérennité de ta réponse très volumineuse (et c’est un compliment <3) je te donne en masqué des modifications que je t’invite à faire. Pour que les prochains lecteurs puissent mieux comprendre (au cas où).

  • Je pense que tu m’as bien remis les idées en place sur le fonctionnement intrinsèque d’un point de vue microscopique. Mais j’ai l’impression que tu n’as pas répondu à cette question :

  • Comment est il possible qu’un métal ne soit pas aimantable mais conduise l’électricité ? Il doit avoir un lac Electronique ? Auquel cas se dernier pourrait très bien s’orienter selon le champs magnétique ?

En somme un très bon éclaircissement, de qualités.


  • le moment angulaire orbitale (les atomes qui tournent autour du noyaux forme des spires de courant)

Atome ? pas plutôt électrons ?

Le moment magnétique total d’un atome est la somme du moment angulaire orbitale des électrons, de leur spin et du spin des nucléons. Mais les nucléons sont négligeable car : - comme les électrons il s’assemble par paire de spin opposés et donc seul les nucléons célibataires ont une importance, les autres s’annulant. - le couplage des nucléons avec le champs B est 1000 fois moins fort que le couplage des électrons (ça ne veut pas dire que dans le cas général il est invisible : cf RMN).

Il manque un espace pour que ce soit en tiré dans le formatage de ton texte.

1) Ce cas "parfait" n’est en faite pas vraiment possible, au mieux tous les électrons sont appareillés

On dit appariés, ça vient de pair et pas d’appareille :p

2) Présence de dipôle : aoutch, ça se gatte. Notons plusieurs choses : - L et S vont vouloir s’orienter sur un champ macroscopique externe ou interne (effet individuelle) - les L et S voisins vont se coupler entre eux (en faite ils s’alignent sur le champ microscopique de leur voisins) (effet collectif) - l’agitation thermique va désorganisation tous ce petit monde (elle incite à restaurer la symétrie isotrope du système : pas d’organisation).

Il manque un espace pour que ce soit en tiré dans le formatage de ton texte.

Édité par Blackline

Нова Проспект (/,>\text{(}/ , \text{>}

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  • Oui spin et nb azimutale.

  • Yep temperature de curie

  • Nope pr les poles. Regarde un peu les articles Wikipedia sur les dipôles magnétique. Ça a naturellement deux pôles ( d’où le nom DIpole ) et de coup qd tu les assembles ça a toujours deux pôles.

  • Nope, ( enfin, ça dépend de ce que tu entend par "cas 2" ) anti-ferro c’est qd le couplage est négatif.

Ce que tu appelles lac je l’appelle délocalisation. Tous les électrons du lac vont s’apparier entre eux donc au final le spin du lac est nul.

Ps: correction faite :p

Et pas d’autres réponses avant lundi soir ou mardi ^^ ( mais je suis sur que d’autre pourrons t’éclairer sur la nature d’un pôle magnétique)

Édité par Vael

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Quelques précisions.

Un aimant est toujours constitué de deux pôles que l’on ne peut pas séparer. Si on casse un aimant en deux, on n’obtient pas un pôle nord et un pôle sud, mais deux aimants avec chacun son pôle nord et son pôle sud.

Dans un matériau ferromagnétique, on a des domaines magnétiques (les blocs dont on parle plus haut). Dans chaque bloc, les spins sont alignés dans le même sens (c’est ça qui définit un bloc). D’un bloc à l’autre, les spins ont des sens différents. Chaque bloc crée un champ magnétique, mais comme ils sont dans des sens différents, cela se compense et vu de l’extérieur, le champ créé est nul. Ce n’est pas un aimant. Maintenant, si on place ce matériau ferromagnétique dans un champ magnétique extérieur suffisamment fort, tous les spins vont s’aligner dans le même sens et on aura un seul gros bloc. Le matériau est aimanté. On peut ensuite supprimer ce champ magnétique extérieur. Le matériau ne va pas retourner dans son état initial et on va mesurer un champ magnétique non nul autour. Il est devenu un aimant.

Comment est il possible qu’un métal ne soit pas aimantable mais conduise l’électricité ?

La propriété "conduire l’électricité" est liée au champ électrique. La propriété "être aimantable" est liée au champ magnétique. On peut avoir des matériaux très bons conducteurs qui réagissent faiblement au champ magnétique, par exemple le cuivre.

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